随着集成电路的快速发展,技术节点不断缩小,金属布线越趋复杂,互连金属的物理性能要求也越来越高。铜具有低的电阻率和优越的抗电迁移性,已经成为了集成电路的主要互连材料。化学机械抛光是目前实现互连铜平坦化的主要技术,化学机械抛光是将抛光液中添加剂的化学作用与磨粒的机械作用相结合的一种加工方法,抛光液是影响抛光效果的关键。当前所使用的铜抛光液大多存在成本高、污染大、组分复杂等问题,且随着低介电常数介质的引入,低压抛光成为了潜在需求,因而高效环保的抛光液成为了铜互连技术的关键之一。本文以良好的化学抛光效果为基础,以环保清洁、经济高效为导向,对铜化学机械抛光液进行了组分优化和机理分析。首先,选用过氧化氢和二氧化硅作为抛光液的氧化剂和磨粒。然后用电化学极化和静态腐蚀实验分析了不同络合剂对铜的化学腐蚀作用,结合抛光实验结果,确定了甘氨酸为络合剂。X射线能谱分析证明了甘氨酸能与铜离子生成甘氨酸合铜,促进铜单质参与反应,这是含甘氨酸抛光液具有最大去除率的原因。利用电化学极化、阻抗和静态腐蚀实验研究了不同缓蚀剂的成膜性能,发现苯并三氮唑（BTA）成膜作用很强,这使得其抛光液去除率很低。而1,2,4三氮唑（TAZ）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）钝化保护作用较弱,在保证较好表面质量的同时能获得较大的铜去除率,且两者具有较好的协同效应,因而选择TAZ与PVP的混合剂作为缓蚀剂。最后建立了化学机械抛光中铜的去除机理模型,分析了各添加剂对铜的作用效果和平坦化过程。在确定了抛光液添加剂种类后,通过单因素实验探究了各成分对抛光效果的影响。实验发现,随着过氧化氢浓度的升高,铜的去除率先升高后降低,表面粗糙度先减小后趋平稳,过量的过氧化氢钝化作用明显。而磨粒浓度的升高使得去除率先升高后趋平稳,表面粗糙度先减小后增大。甘氨酸浓度的升高会使得铜的去除率增大,表面粗糙度先减小后增大,且实验发现过氧化氢和甘氨酸体系在p H为7.5时具有较好的抛光效果。混合缓蚀剂浓度升高会使得表面粗糙度减小,去除率缓慢下降。为综合考虑去除率和表面质量,以单因素的较佳范围为基础,通过正交实验结合矩阵分析的方法得到了最佳的抛光液组分,即4 wt.%过氧化氢,6 wt.%二氧化硅,1 wt.%甘氨酸,0.1 wt.%TAZ和0.05wt.%PVP,p H为7.5,此组分的抛光液具有较好的环保性能和较佳的化学机械抛光效果。为充分发挥抛光液的作用,利用单因素实验研究了工艺参数对抛光效果的影响,并得到了与抛光液匹配的工艺参数。实验发现,提高抛光液流速、主盘转速,增大抛光压力,均可以提升抛光的效果,但超过一定范围后,会带来较多的负面影响。实验得到的最佳工艺为抛光压力13.8 k Pa,主盘转速80 r/min,抛光液流速50 m L/min,选用黑色磨砂革抛光垫。在此条件下,抛光后的铜表面粗糙度为2.07 nm,铜的去除率为1436 nm/min。